(57)【要約】【課題】  騒音及び振動の増加、並びに軸受け寿命の低下を抑制しつつ、フラッディングを解消することが可能な燃料電池システムを提供する。【解決手段】  燃料電池システム１は、燃料電池スタック１０でのフラッディングを検出した場合に、燃料極側のガス密度が大きくなるように制御することとしている。ここで、一般的な循環ポンプ４２は、流体密度が大きくなることで、効率が良くなることが知られている。すなわち、循環ポンプ４２は、循環させるガスの密度が大きくなるに従って圧力流量特性が向上し、ポンプ回転数を増加させることなくガス循環流量を増加させることができる。従って、騒音及び振動の増加、並びに軸受け寿命の低下を抑制しつつ、フラッディングを解消することができる。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスの供給を受ける燃料極及び酸化剤ガスの供給を受ける酸化剤極を有し、前記燃料ガスと前記酸化剤ガスとを反応させることにより発電を行う燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックの燃料極側出口から排出されたガスを燃料極側入口に循環させる流路となるガス循環ラインと、
前記燃料電池スタックの燃料極側から排出されるガスを燃料極側出口から燃料極側入口に循環させる動力源となるガス循環ポンプと、
前記燃料電池スタックの運転条件を制御する制御手段と、を備え、
前記ガス循環ポンプは、循環させるガスの密度が大きくなるに従って圧力流量特性が向上するものであり、
前記制御手段は、前記燃料電池スタックでのフラッディングを検出した場合に、前記燃料極側のガス密度が大きくなるように制御する
ことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記制御手段は、前記燃料電池スタックでのフラッディングを検出した場合に、前記燃料極側のガスの圧力を大きくすることで、前記燃料極側のガス密度が大きくなるように制御することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記制御手段は、前記燃料電池スタックでのフラッディングを検出した場合に、前記燃料極側から外部へのガス排出量を減少させることで、前記燃料極側のガス密度が大きくなるように制御することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記燃料電池スタックでのフラッディングを検出した場合に、前記燃料電池スタックの運転温度を上昇させることで、前記燃料極側のガス密度が大きくなるように制御することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、燃料電池スタックの燃料極側出口から入口に向けてガスを循環させる燃料電池システムにおいて、燃料電池スタック内でフラッディング（水詰まり）が発生した場合、ガス循環流量を増加させることで、水を吹き飛ばしてフラッディングを解消するものが知られている（例えば特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００２−２８００２７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ここで、従来の燃料電池システムにおいて、ガス循環流量を増加させるには、ポンプの回転数を増加させることが一般的である。しかし、ポンプの回転数を増加させると、騒音及び振動が増加するうえに、軸受け寿命を短くしてしまうという問題が生じる。
【０００４】
本発明はこのような従来の課題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、騒音及び振動の増加、並びに軸受け寿命の低下を抑制しつつ、フラッディングを解消することが可能な燃料電池システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の燃料電池システムは、燃料ガスの供給を受ける燃料極及び酸化剤ガスの供給を受ける酸化剤極を有し、燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させることにより発電を行う燃料電池スタックと、燃料電池スタックの燃料極側出口から排出されたガスを燃料極側入口に循環させる流路となるガス循環ラインと、燃料電池スタックの燃料極側から排出されるガスを燃料極側出口から燃料極側入口に循環させる動力源となるガス循環ポンプと、燃料電池スタックの運転条件を制御する制御手段とを備えている。さらに、ガス循環ポンプは、循環させるガスの密度が大きくなるに従って圧力流量特性が向上するものであり、制御手段は、燃料電池スタックでのフラッディングを検出した場合に、燃料極側のガス密度が大きくなるように制御するものである。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、燃料電池スタックでのフラッディングを検出した場合に、燃料極側のガス密度が大きくなるように制御することとしている。ここで、一般的なガス循環ポンプは、流体密度が大きくなることで、効率が良くなることが知られている。すなわち、ガス循環ポンプは、循環させるガスの密度が大きくなるに従って圧力流量特性が向上し、ポンプ回転数を増加させることなくガス循環流量を増加させることができる。従って、騒音及び振動の増加、並びに軸受け寿命の低下を抑制しつつ、フラッディングを解消することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
以下、本発明の好適な実施形態を図面に基づいて説明する。
【０００８】
図１は、本発明の実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。図１に示すように、燃料電池システム１は、燃料電池スタック１０と、燃料ガス供給系２０と、燃料ガス排出系３０と、ガス循環系４０と、水分離器５０と、コントローラ（制御手段）６０とを備えている。
【０００９】
燃料電池スタック１０は、燃料ガス（水素ガス）と酸化剤ガス（酸素）とを反応させることにより発電を行うものであり、水素ガスの供給を受ける燃料極と、酸素を含む空気の供給を受ける酸化剤極とを有している。また、燃料極と酸化剤極とは電解質を挟んで重ね合わされて発電セルを構成しており、燃料電池スタック１０は、これら発電セルが複数層積層された構造となっている。
【００１０】
燃料ガス供給系２０は、燃料電池スタック１０の各燃料極に水素ガスを供給するためのものであり、水素タンク２１と、水素ガス供給配管２２と、圧力調整弁２３とからなっている。水素タンク２１は、燃料電池スタック１０の燃料極に供給する水素ガスを蓄えておくものである。水素ガス供給配管２２は水素タンク２１と燃料電池スタック１０の燃料極側とを接続し、水素タンク２１からの水素ガスを燃料電池スタック１０の燃料極まで導くものである。圧力調整弁２３は、水素ガス供給配管２２に設けられ、開度を調整することにより、水素タンク２１から燃料電池スタック１０の燃料極側に供給される水素ガスの供給量を制御すると共に、水素ガスの供給量を制御することにより燃料電池スタック１０の燃料極側の圧力についても制御する構成となっている。
【００１１】
燃料ガス排出系３０は、燃料電池スタック１０の燃料極側から排出されるガスを外部に排出するものであり、水素ガス排出配管３１と、パージ弁３２とを備えている。水素ガス排出配管３１は、燃料電池スタック１０の燃料極側出口と外部とを接続し、燃料極側のオフガスを外部に導くための流路となるものである。パージ弁３２は、水素ガス排出配管３１に設けられ、開度を調整することにより、燃料極側のオフガスの排出量を制御する構成となっている。
【００１２】
ガス循環系４０は、発電に寄与することなく排出された水素ガスを再利用するためのものであって、燃料電池スタック１０の燃料極側から排出されるガスを燃料極側出口から入口に循環させるものである。このガス循環系４０は、循環配管（ガス循環ライン）４１と、循環ポンプ（ガス循環ポンプ）４２とからなっている。
【００１３】
循環配管４１は、燃料電池スタック１０の燃料極側出口から排出されたガスを燃料極側入口に循環させる流路となるものである。この循環配管４１は、一端が燃料極出口からパージ弁３２に至るまでの水素ガス排出配管３１（図１に示す点Ａ）に接続され、他端が圧力調整弁２３から燃料極入口に至るまでの水素ガス供給配管２２に（図１に示す点Ｂ）接続されている。循環ポンプ４２は、循環配管４１上に設けられ、燃料電池スタック１０の燃料極側から排出されるガスを燃料極側出口から燃料極側入口に循環させる動力源となるものである。この循環ポンプ４２は、一般的な構成のポンプであり、流体密度が大きくなることで、効率が良くなるものである。すなわち、循環ポンプ４２は、循環させるガスの密度が大きくなるに従って圧力流量特性が向上する構成となっている。
【００１４】
ここで、圧力流量特性とは、ポンプの吐出圧力と流量との相関を示すものであり、予めポンプの種類等によって定まっているものである。故に、ポンプを駆動させて或る吐出圧力を得るためには流量を或る値にする必要がある。ところが、上記のように流体密度が大きくなると、この圧力流量特性は向上し、上記或る吐出圧力における流量は前述の値よりも大きくなる。
【００１５】
水分離器５０は、燃料極からのオフガスに含まれる水分を凝縮して回収するものであり、燃料極出口から上記接続点Ａに至るまでの水素ガス排出配管３１に設けられている。この水分離器５０は、凝縮して取り出した水分を加湿器などに送るようになっている。
【００１６】
コントローラ６０は、燃料電池スタック１０の運転条件を制御するものであり、具体的には燃料電池スタック１０の運転圧力や温度、及び、各種弁２３，３２の開度などを制御することができる構成となっている。また、コントローラ６０は、燃料電池システム１の運転状況等などから、燃料電池スタック１０においてフラッディングが発生しているか否かを判断できる構成となっており、例えば、燃料電池スタック１０のセル電圧の変動や、排出ガスの圧力変動などからフラッディングの発生を判断する。
【００１７】
次に、本実施形態に係る燃料電池システム１の動作を図２を参照して説明する。図２は、本実施形態に係る燃料電池システム１の動作を示すフローチャートである。なお、図２に示す処理は、燃料電池システム１の電源がオフされるまで繰り返されるものとする。
【００１８】
まず、図２に示すように、燃料電池システム１は通常運転を行っている（ＳＴ１）。すなわち、コントローラ６０は、負荷からの要求に応じた発電を行えるように、燃料電池システム１の運転条件を決定し、発電を行う。
【００１９】
そして、コントローラ６０は、燃料電池スタック１０においてフラッディングが発生しているか否かを判断する（ＳＴ２）。このとき、コントローラ６０は、例えば燃料電池スタック１０のセル電圧の変動や、排出ガスの圧力変動などからフラッディングの発生を判断する。ここで、フラッディングが発生していないと判断した場合（ＳＴ２：ＮＯ）、処理はステップＳＴ１に移行し、コントローラ６０は通常運転を継続する。
【００２０】
一方、フラッディングが発生していると判断した場合（ＳＴ２：ＹＥＳ）、コントローラ６０は、燃料極出口から入口に循環させるガスの密度を大きくする（ＳＴ３）。この際、コントローラ６０は、燃料極側のガスの圧力を一時的に大きくすることにより、燃料極側のガス密度を大きくする。なお、コントローラ６０は、例えば圧力調整弁２３を開けて水素ガスを供給することで、燃料極側のガスの圧力を大きくする。
【００２１】
ここで、循環ポンプ４２は、上記したように、流体密度が大きくなることで、効率が良くなるものである。このため、循環ポンプ４２は、循環させるガスの密度が大きくなるに従って圧力流量特性が向上することとなる。すなわち、本システム１は、燃料極側の圧力を大きくすることで、ポンプ回転数を増加させることなく、ガス循環流量を増加させることができる。故に、本システム１では、騒音及び振動の増加、並びに軸受け寿命の低下を抑制しつつ、フラッディングを解消することができる。
【００２２】
また、コントローラ６０は、燃料極側のガスの圧力を一時的に大きくすることで燃料極側のガス密度を大きくする場合に限らず、燃料極側から外部へのガス排出量を一時的に減少させることで、燃料極側のガス密度を大きくするようにしてもよい。
【００２３】
一般に、燃料電池スタック１０の酸化剤極には窒素等の不純物ガスが存在し、燃料電池システム１を長期に使用すると、不純物ガスが燃料極側に流入して運転効率が低下することが知られている。このため、一般的な燃料電池システムでは、一定時間ごとに、または所定条件が満たされるごと（例えば窒素濃度が規定濃度以上になるごと）に、パージ弁を開いて燃料極側から外部へガスを排出することとしている。本実施形態の燃料電池システム１では、上記一定時間を長く変更したり、上記所定条件を満たし難くなるように変更したりして（例えば規定濃度を高めに変更したりして）、燃料極側から外部へのガス排出量を減少させて、燃料極側における不純物ガスの濃度を高め、燃料極側のガス密度を大きくする。
【００２４】
また、コントローラ６０は、燃料電池スタック１０の運転温度を上昇させることで、燃料極側のガス密度が大きくなるように制御するようにしてもよい。ここで、燃料電池スタック１０の運転温度を上昇させると、燃料極側におけるガス中の水蒸気濃度が増し、燃料極側のガス密度を大きくすることができる。なお、燃料電池スタック１０の運転温度を上昇させるには、燃料電池スタック１０を冷却する冷却液の流量を減少させるなどするとよい。
【００２５】
以上、コントローラ６０は、上記のいずれかの方法またはその組み合わせによって、循環させるガスの密度を大きくし、ガス循環流量を多くする。これにより、燃料電池スタック１０の水分が吹き飛ばされ、水分離器５０により多くの水分が除去されることとなる。
【００２６】
その後、コントローラ６０は、フラッディングが解消したか否かを判断する（ＳＴ４）。フラッディングが解消したと判断した場合（ＳＴ４：ＹＥＳ）、処理はステップＳＴ１に移行することとなる。一方、フラッディングが解消していないと判断した場合（ＳＴ４：ＮＯ）、解消したと判断されるまで、この処理が繰り返される。
【００２７】
このようにして、本実施形態に係る燃料電池システム１によれば、燃料電池スタック１０でのフラッディングを検出した場合に、燃料極側のガス密度が大きくなるように制御することとしている。ここで、一般的な循環ポンプ４２は、流体密度が大きくなることで、効率が良くなることが知られている。すなわち、循環ポンプ４２は循環させるガスの密度が大きくなるに従って圧力流量特性が向上し、ポンプ回転数を増加させることなくガス循環流量を増加させることができる。従って、騒音及び振動の増加、並びに軸受け寿命の低下を抑制しつつ、フラッディングを解消することができる。
【００２８】
また、燃料電池スタック１０でのフラッディングを検出した場合に、燃料極側のガスの圧力を大きくするとで、燃料極側のガス密度が大きくなるように制御することとしている。このため、ガス圧力の調整により、騒音及び振動の増加、並びに軸受け寿命の低下を抑制しつつ、フラッディングを解消することができる。
【００２９】
また、燃料電池スタック１０でのフラッディングを検出した場合に、燃料極側から外部へのガス排出量を減少させることで、燃料極側のガス密度が大きくなるように制御することとしている。このため、燃料極側から外部へのガス排出量を減少させ、燃料極側における不純物ガスの濃度を高め、燃料極側のガス密度を大きくすることができる。従って、燃料極側から外部へのガス排出量の調整によって、騒音及び振動の増加、並びに軸受け寿命の低下を抑制しつつ、フラッディングを解消することができる。
【００３０】
また、燃料電池スタック１０でのフラッディングを検出した場合に、燃料電池スタック１０の運転温度を上昇させることで、燃料極側のガス密度が大きくなるように制御することとしている。ここで、燃料電池スタック１０の運転温度を上昇させると、燃料極側におけるガス中の水蒸気濃度が増し、燃料極側のガス密度が大きくなる。従って、燃料電池スタック１０の運転温度の調整によって、騒音及び振動の増加、並びに軸受け寿命の低下を抑制しつつ、フラッディングを解消することができる。
【００３１】
以上、実施形態に基づき本発明を説明したが、本発明は上記実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、変更を加えてもよい。例えば、本実施形態では、循環させるガスの密度を大きくする方法を３つほど例示したが、これに限らず、他の方法によって循環ガス密度を大きくするようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。
【図２】本実施形態に係る燃料電池システム１の動作を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００３３】
１…燃料電池システム
１０…燃料電池スタック
２０…燃料ガス供給系
２１…水素タンク
２２…水素ガス供給配管
２３…圧力調整弁
３０…燃料ガス排出系
３１…水素ガス排出配管
３２…パージ弁
４０…ガス循環系
４１…循環配管（ガス循環ライン）
４２…循環ポンプ（ガス循環ポンプ）
５０…水分離器
６０…コントローラ（制御手段）
【図１】
2007066554.tif 000003
【図２】
2007066554.tif 000004